本論文主要研究蜘蛛絲上光固化珠體(即紡錘體)，經由三種雷射波長(405 nm、532 nm、671 nm)照射下，產生的光子奈米噴流現象。本研究使用蜘蛛絲的自然性質和紫外光固化劑來製作紡錘體，其材料為紫外光固化劑、家幽靈蜘蛛絲。本論文使用數值模擬和實驗量測來研究和證明紡錘體在不同入射波長和不同尺寸的情況下，光子奈米噴流的變化。在數值模擬方面，本論文使用時域有限差分法來模擬不同尺寸，在不同波長雷射的照射下，產生的光場分佈及能量強度的情況。在實驗量測方面，本論文使用高靈敏度光學顯微系統來擷取實驗噴流影像，再以電腦程式分析實驗影像之數據，如噴流的焦距、衰減長度、半高全寬、能量強度等，並與數值模擬的參數做交互比較。本論文發現光子奈米噴流的性質會隨者紡錘體的曲率大小作正比的變化，此研究結果可幫助未來能夠找到更加完美的光子奈米噴流來觀察奈米級的物體。

In this study, the phenomenon of photonic nanojets generated by exposing the spindle-knots of spider silk with three incident wavelengths (405 nm, 532 nm, 671 nm) are investigated. UV curing and silk of longbodied cellar spider (Pholcus phalangioides) were used in this study to create the spindle. Finite-difference time-domain (FDTD) method was adopted to simulate the distribution of light field and energy intensity under exposure of different wavelengths and dimensions. A highly sensitive optical microscopy system was used to capture experimental jet images, and the nanojet parameters (focal length of the jet, attenuation length, full width at half maximum, energy intensity) were analyzed. These nanojet parameters are compared with simulation results interactively. Our results shows that the behavior of photonic nanojets varied directly to the curvature of the spindle. Spider silk may aid in finding optimal photonic nanojets for examining nano-scaled objects in future.

目錄
第1章 前言	1
1.1 研究緣起	1
1.2 文獻回顧	5
1.3 研究目的與架構	12
第2章 理論分析	14
2.1 米氏散射理論	14
2.2 奈米光子噴流特徵	16
2.3 數值方法	18
第3章 實驗製程	25
3.1 實驗目的	25
3.2 實驗器材	27
3.2.1 蜘蛛絲	27
3.2.2 UV Coating	28
3.2.3 簡易抽絲機	30
3.2.4 蜘蛛絲放置器	31
3.2.5 曝光機	32
3.2.6 光學量測系統	32
3.3 實驗步驟	33
3.3.1前置實驗	33
3.3.2主要實驗	35
第4章 奈米光子噴流量測系統介紹	40
4.1 系統架構	40
4.2 光學顯微鏡	41
4.3 電荷耦合元件	44
4.4 物鏡	46
4.5 光源	48
4.6 三軸電控平台	51
第5章 數值模擬	52
5.1 模型建立	52
5.2 光子奈米噴流的數值模擬	54
5.2.1改變紡錘體的穿透厚度(D)對光子奈米噴流的影響	54
5.2.2紡錘體能量分佈圖	54
5.3 數值分析	65
5.3.1 不同穿透厚度(D)與光子奈米噴流焦距的關係	65
5.3.2 不同穿透厚度(D) 對半高全寬的關係	66
5.3.3 不同穿透厚度(D)與光子奈米噴流衰減長度關係	68
5.3.4 不同穿透厚度(D) 對光子奈米噴流強度關係	69
第6章 光學量測結果	74
6.1 紡錘體的量測圖	74
6.2 光子奈米噴流之參數分析	77
6.2.1 單位正規化	77
6.2.2 紡錘體之參數分析-焦距	78
6.2.3 紡錘體之參數分析-半高全寬	78
6.2.4 紡錘體之參數分析-衰減長度	79
6.2.5 紡錘體之參數分析-噴流強度	80
第7章 結論	82
參考文獻	84

圖目錄
圖 1 1 3μm乳膠微球的光子奈米噴流現象[23]	7
圖 1 2三種不同入射光照射在2μm玻璃微球的噴流情形[26]	8
圖 1 3多種形狀微米結構的光子奈米噴流現象[30]	9
圖 1 4製造SCON-SNIS的過程[31]	10
圖 1 5 蜘蛛絲集水結構及集水過程[32]	11
圖 2 1 米氏理論示意圖	15
圖 2 2 光子奈米噴流示意圖	17
圖 2 3 FDTD單位網格電磁場配置	20
圖 2 4 電場和磁場隨時間變化交替圖	21
圖 3 1 實驗流程圖	26
圖 3 2 家幽靈蜘蛛	27
圖 3 3 實驗流程圖	30
圖 3 4簡易抽絲機	31
圖 3 5蜘蛛絲放置器(30cmX20cmX10cm)	31
圖 3 6 曝光機	32
圖 3 7光學量測系統	33
圖 3 8 蜘蛛絲進行光學量測(532nm綠光)	34
圖 3 9 簡易抽絲器示意圖	36
圖 3 10 取絲示意圖	37
圖 3 11 實驗示意圖	37
圖 3 12 實驗示意圖	37
圖 3 13 曝光示意圖	38
圖 3 14待測物完成示意圖	38
圖 3 15由共厄焦顯微鏡(LEXT OLS4100)拍攝的紡錘體照片	39
圖 4 1實驗整體系統圖	40
圖 4 2光學顯微鏡示意圖	42
圖 4 3 XYZ三軸電控平台	51
圖 5 1光子噴流示意圖	52
圖 5 2數值模擬圖，參數為671nm的紅光雷射及穿透厚度(D)為3μm	55
圖 5 3厚度3μm的紡錘體能量分佈圖	56
圖 5 4厚度4μm的紡錘體能量分佈圖	57
圖 5 5厚度5μm的紡錘體能量分佈圖	58
圖 5 6厚度6μm的紡錘體能量分佈圖	59
圖 5 7厚度7μm的紡錘體能量分佈圖	60
圖 5 8厚度8μm的紡錘體能量分佈圖	61
圖 5 9厚度9μm的紡錘體能量分佈圖	62
圖 5 10厚度10μm的紡錘體能量分佈圖	63
圖 5 11厚度15μm的紡錘體能量分佈圖	64
圖 5 12 (a)不同穿透厚度(D)與光子奈米噴流焦距(F)關係圖和(b)不同穿透厚度(D)對曲率半徑(R)的關係圖	66
圖 5 13 不同穿透厚度(D)對半高全寬(FWHM)關係圖和不同穿透厚度(D)對曲率半徑(R)的關係圖	67
圖 5 14 不同穿透厚度(D)與光子奈米噴流衰減長度(L)關係圖和不同穿透厚度(D)對曲率半徑(R)的關係圖	69
圖 5 15 671nm的紅光對穿透厚度D=3μm、5μm、8μm、10μm的紡錘體的光子奈米噴流強度關係圖	70
圖 5 16 532nm的綠光對穿透厚度D=3μm、5μm、8μm、10μm的紡錘體的光子奈米噴流強度關係圖	71
圖 5 17 405nm的藍光對穿透厚度D=3μm、5μm、8μm、10μm的紡錘體的光子奈米噴流強度關係圖	72
圖 5 18為671nm的紅光、532nm的綠光和405nm的藍光對穿透厚度D=3μm、5μm、8μm、10μm的紡錘體的噴流強度變化關係圖	73
圖 6 1 0.01mm標準片	77
圖 6 2電腦程式分析0.01mm標準片數據	77
圖 6 3為不同穿透厚度(D)與焦距(F)關係圖	78
圖 6 4不同穿透厚度(D)對半高全寬(FWHM)關係圖	79
圖 6 5不同穿透厚度(D)與衰減長度(L)關係圖	80
圖 6 6不同穿透厚度(D)與噴流強度關係圖	81
表目錄
表 3 1蜘蛛絲進行光學量測實驗的結果	35
表 4 1光學顯微鏡各部份的名稱	43
表 4 2 CCD攝影機之規格	45
表 4 3物鏡規格比較表	47
表 4 4紅光雷射規格	49
表 4 5綠光雷射規格	49
表 4 6藍光雷射規格	50
表 5 1數值模擬參數	53
表 6 1 光固化溶液的紡錘體	75

[1] 馬遠榮, “奈米科技”, 商周出版, 台灣, 2002
[2] J.-P. Berenger, “A perfectly matched layer for the absorption of electromagnetic waves”, Journal of computational physics, vol. 114, no. 2, pp. 185-200, 1994
[3] 龔建華, “你不可不知的奈米科技”, 世茂出版社, 台灣, 2002
[4] 白春禮, “納米科技現在與未來”, 凡異出版社, 台灣, 2002
[5] 尹邦躍、張勁燕, “奈米時代”, 五南圖書出版公司, 台灣, 2002
[6] Kawai Tomoji, “奈米科技”, 工業技術研究院, 台灣, 2002
[7] 黃楓台, “奈米與微機電”, 國家科學委員會科學技術資料中心, 台灣, 2002
[8] 張喜寧、夏鎮洋, “穿透式及掃描式電子顯微鏡生物技術”, 國立編譯館, 台灣, 1979
[9] 管傑雄、孫啟光, “奈米光電”, 經濟部工業局, 台灣, 2002
[10] P. Grabiec, T. Gotszalk, and J. Radojewski, “SNOM/AFM microprobe integrated with piezoresistive cantilever beam for multifunctional surface analysis”, Microelectronic engineering, vol. 61, pp. 981-986, 2002
[11] J. A. O'keefe, “Resolving power of visible light”, Journal of the Optical Society of America, vol. 46, no. 5, pp. 359, 1956
[12] D. Pohi, W. Denk, and M. Lanz, “Optical Stethoscopy: Image Recording with resolution A/20”, Applied Physics Letters, vol. 44, no. 7, pp. 651-653, 1984
[13] A. Lewis, M. Isaacson, and A. Harootunian, “Development of a 500 Å spatial resolution light microscope: I. light is efficiently transmitted through λ/16 diameter apertures”, Ultramicroscopy, vol. 13, no. 3, pp. 227-231, 1984
[14] E. Betzig, A. Harootunian, and A. Lewis , “Near-field diffraction by a slit: implications for superresolution microscopy”, Applied optics, vol. 25, no. 12, pp. 1890-1900, 1986
[15] E. Betzig and J. K. Trautman, “Near-field optics: microscopy, spectroscopy, and surface modification beyond the diffraction limit”, Science, vol. 257, no. 5067, pp. 189-195, 1992
[16] R. C. Dunn, “Near-field scanning optical microscopy”, Chemical reviews, vol. 99, no. 10, pp. 2891-2928, 1999
[17] X. Li, Z. Chen, and A. Taflove , “Optical analysis of nanoparticles via enhanced backscattering facilitated by 3-D photonic nanojets”, Optics express, vol.13, no. 2, pp. 526-533, 2005
[18] G. Mie, “Beiträge zur Optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallösungen”, Annalen der physik, vol. 330, no. 3, pp. 377-445, 1908.
[19] H. C. Hulst and H. C. van de Hulst, “Light scattering: by small particles”, Courier Corporation, 1957
[20] Z. Chen, A. Taflove, and V. Backman, “Photonic nanojet enhancement of backscattering of light by nanoparticles: a potential novel visible-light ultramicroscopy technique”, Optics express, vol. 12, no. 7, pp. 1214-1220, 2004
[21] A. Itagi and W. Challener, “Optics of photonic nanojets”, Journal of the Optical Society of America A, vol. 22, no. 12, pp. 2847-2858, 2005
[22] A. Heifetz, K. Huang, and A. V. Sahakian, “Experimental confirmation of backscattering enhancement induced by a photonic jet”, Applied physics letters, vol. 89, no. 22, 2006
[23] P. Ferrand, J. Wenger, and A. Devilez, “Direct imaging of photonic nanojets”, Optics express, vol. 16, no. 10, pp. 6930-6940, 2008
[24] J. F. Cardenas, “Confinement of light near the diffractionlimit at the SiO2/Si interface by silicaspheres”, Journal of the Optics, vol. 12, no. 3, 2010
[25] R. Aroca, “Surface-Enhanced Vibrational Spectroscopy”, John Wiley & Sons, American, 2006
[26] M.-S. Kim and T. Scharf, S. Mühlig, “Engineering photonic nanojets”, Optics express, vol. 19, no. 11, pp. 10206-10220, 2011
[27] D. McCloskey, J. J. Wang, and J.F. Donegan, “Low divergence photonic nanojets from Si3N4 microdisks”, Optics Express, vol. 20, no. 1, pp. 129-140, 2012
[28] C. F. Bohren and D. R. Huffman, “Absorption and Scattering of Light by Small Particles”, John Wiley & Sons, American, 1998
[29] Z..Hengyu, et al, “Photonic jet with ultralong working distance by hemispheric shell. ” Optics express, vol. 23, no. 5, pp. 6626-6633, 2015
[30] McCloskey, D. Ballantine, K. E. Eastham, P. R.,& Donegan, J. F.“Photonic nanojets in Fresnel zone scattering from non-spherical dielectric particles.”Optics express,23(20),26326-26335, 2015
[31] Guoqiang Gu, Rui Zhou, Huiying Xu, Guoxiong Cai, and Zhiping Cai ” Subsurface nano-imaging with self-assembled spherical cap optical nanoscopy”, Optics express, Vol. 24, No. 5,4937- 4948,2016
[32] Yongmei Zheng,Hao Bai, Zhongbing Huang, Xuelin Tian, Fu-Qiang Nie, Yong Zhao, Jin Zhai1 & Lei Jiang,“Directional water collection on wetted spider silk”, Nature,Vol 463,pp. 640-644,2010
[33] Douglas J. Little and D. M. Kane, “Image contrast immersion method for measuring refractive index applied to spider silks”, Optics express, Vol. 19, No. 20, pp. 19182 -19189, 2011
[34] 葉玉堂, 肖峻, 饒建珍, “光學教程(第二版) ”, 清華大學出版社, 2011
[35] K. Yee, “Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media”, IEEE Transactions, Antennas and Propagation, vol. 14, no. 3, pp. 302-307, 1966
[36] J. Berenger, ”A perfectly matched layer for the absorption of electromagnetic waves”, Journal of computational physics, vol. 114, no. 2, pp. 185-200, 1994.
[37] 王怡喬, “以有限差分時域(FDTD)法模擬一維金屬與介電曾光子晶體之電磁波傳輸”, 國立清華大學物理學系碩士班學位論文, 2003
[38] 林振華, ”電磁場與天線分析:使用時域有限差分法(FDTD)”, 全華科技圖書股份有限公司, 台灣, 1999。
[39] 陳建榕, “光子奈米噴流現象於單顆微米介電圓盤之研究”, 淡江大學機械與機電工程學系碩士班學位論文(pp. 1-115), 2014
[40] 蕭凱隆, “多層核殼微米圓盤的光子奈米噴流現象研究”, 淡江大學機械與機電工程學系碩士班學位論文(pp. 1-131), 2015
[41] 林凡智, “介電非圓形圓盤的光子納米噴流現象研究”, 淡江大學機械與機電工程學系碩士班學位論文(pp. 1-116), 2015
[42] 羅偉傑, “核殼微米光纖探針之設計,製造與量測”, 淡江大學機械與機電工程學系碩士班學位論文(pp. 1-126), 2016
[43] 王益宏, “穿透式與反射式介電微米方柱之奈米光子噴流現象研究”, 淡江大學機械與機電工程學系碩士班學位論文(pp. 1-119), 2016
[44] 中國科學院動物研究所. “家幽靈蛛”. 《中國動物物種編目資料庫》. 2009
[45] Frank K. Ko, Sueo Kawabata, Mari Inoue, Masako Niwa, Stephen Fossey and John W. Song, ”ENGINEERING PROPERTIES OF SPIDER SILK”, Vol. 702 (U1.4.1), 2001